沉管隧道中设置褥垫层的钢管桩减沉机理研究

摘要

本文以国家科技支撑计划项目“港珠澳大桥跨海集群工程建设技术研究与示范”研究课题——“外海厚软基大回淤超长沉管隧道设计与施工关键技术”（项目编号:2011BAG07B01）为依托，针对港珠澳大桥沉管隧道底部减沉群桩基础，开展了大量文献调研，采用了理论分析、室内模型试验研究相结合的技术路线，较全面的研究了沉管荷载作用下钢管减沉群桩的承载特性。主要研究内容包括:带垫层减沉单桩及群桩沉降、桩土荷载分担比计算理论;基于均匀设计以及正交设计的沉管减沉桩承载性能模型试验及影响因素统计学分析;港珠澳大桥沉管隧道减沉群桩基础有限元数值模拟及相关参数影响研究;本文减沉桩计算理论在依托工程实际设计方案中的运用与分析。主要工作和结论如下:
　　1)利用荷载传递法，提出了一种考虑了桩项有无垫层对沉管隧道沉降影响的钢管减沉单桩计算理论。对于桩顶无垫层的工况，通过预先指定荷载分担比以明确桩土荷载，利用桩分段迭代计算求得减沉桩沉降。对于桩项设置垫层的工况，提出了等效桩的概念，明确了桩顶与桩间土不同位置垫层的压缩计算方法，并基于刚性沉管底不同区域沉降协调，利用迭代计算得到桩土荷载分担比和减沉桩基沉降。
　　2)基于荷载传递法得到的减沉桩侧摩阻力与端阻力，提出了采用弹性理论计算群桩沉降的带垫层减沉群桩混合法。通过分离桩土弹、塑性位移，提取了桩侧摩阻力弹性段，并对桩侧摩阻力分布进行等效线性化，然后进行不同区域侧摩阻力的Geddes应力解的叠加，推得了减沉桩桩端平面以下土层内任一深度处的竖向附加应力计算公式。通过基于群桩相互作用附加沉降与基桩受力协调、沉管底不同区域位移协调的原则，得到了适用于计算带垫层减沉群桩荷载分担比以及沉降的迭代计算方法。
　　3)采用均匀设计方法完成6组初步模型试验，同时考虑了桩长、桩距、垫层厚度、桩帽等多种因素，每个因素大跨度的选择6个水平，以便覆盖工程所有可能的取值范围。通过试验数据分析和数理统计分析，得到多种因素共同作用下沉管沉降的基本规律，为后续模型试验确定参数，并为工程设计方法提供参考。提出经济性指标“单位面积用桩量”的概念，用于在众多的符合减沉或承载力要求的不同桩基组合中优选出最经济可行的基桩方案。通过对回归模型的反演分析，确定出一组符合沉降控制要求的最优减沉桩参数组合，且与试验结果吻合较好。
　　4)基于混合正交试验设计的18组砂土中3×4群桩模型试验，分析了沉管荷载作用下沉管、垫层、钢管桩、地基土相互作用机理，揭示沉管底部土压力分布、不同位置桩身轴力分布及桩土荷载分担比等基本规律，以及它们随沉管荷载不同的变化规律。通过对沉管沉降和复合地基承载力做极差分析、方差分析和相关分析，进一步明确了桩距、桩长、垫层厚度及桩帽对沉管沉降以及减沉桩承载特性的影响。并通过单桩承载试验结果拟合得出荷载传递函数，结合本文提出的减沉桩计算理论对室内群桩试验的工况进行计算，结果与试验实测值进行对比。
　　5)对实际工程三维有限元建模分析，建议减沉桩桩长采用30m左右;桩顶宜设置垫层，考虑到垫层过厚会增加沉降和成本，针对本工程建议取1m左右;在桩长及垫层厚度等参数确定的情况下，若要控制基础沉降，可在兼顾经济性的基础上适当减小桩间距，建议取用6D（D为桩间距）。
　　6)利用本文提出的带垫层减沉单桩和群桩计算理论，针对港珠澳大桥沉管隧道底部减沉桩基础的某设计方案进行了单桩受力、群桩相互作用等计算分析，得到了本工程合理的桩土荷载分担比及沉管总刚度。此外，计算了减沉桩基极限承载力，并与本文提出的减沉桩承载计算理论所得的减沉桩荷载值进行对比，为工程设计施工提供参考。
　　综上所述，本文针对港珠澳大桥沉管隧道减沉桩基础的工程特点，深入研究减沉桩沉降以及桩土荷载分担比计算理论，并通过模型试验对相关减沉桩承载影响因素加以研究，以达到应用于实际工程、解决实际问题的目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 减沉桩基础研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 减沉桩基础研究存在的问题

1．4 本文研究背景

1．4．1 工程背景

1．4．2 港珠澳跨海大桥岛隧结合段的沉降问题

1．5 本文研究目的及研究内容

1．6 本文的技术路线

1．7 本文的创新点

第二章 带垫层减沉桩承载及沉降计算理论

2．1 桩基承载力理论

2．1．1 桩侧摩阻力

2．1．2 桩端阻力

2．2 桩基沉降计算理论

2．2．1 弹性理论法

2．2．2 剪切位移法

2．2．3 荷载传递法

2．2．4 数值计算法

2．2．5 混合法

2．3 减沉桩荷载分担比计算理论

2．4 基于荷载传递法的减沉桩计算理论

2．4．1 荷载传递法

2．4．2 减沉单桩沉降计算理论

2．5 考虑基桩相互作用的减沉群桩计算理论

2．5．1 基于Geddes解的群桩沉降计算弹性理论

2．5．2 减沉桩相互作用计算

2．6 减沉群桩沉降及荷载分担比计算流程

2．6．1 减沉单桩沉降计算

2．6．2 减沉群桩荷载分担比及沉降计算

2．7 小结

第三章 基于均匀设计的沉管减沉桩模型试验研究

3．1 模型试验均匀设计理论

3．2 试验目的与研究内容

3．3 模型试验原理

3．4 试验方案设计

3．4．1 因素的选择

3．4．2 均匀设计表

3．4．3 样本构造

3．4．4 试验流程

3．5 试验装置及布置

3．6 试验模拟

3．7 试验测量

3．8 试验程序

3．9 数据处理

3．10 试验结果及分析

3．10．1 桩身轴力及桩侧摩阻力

3．10．2 桩土荷载分配规律

3．10．3 沉管沉降规律

3．10．4 沉管沉降与影响因素的回归分析

3．10．5 最优化设计参数的反演分析

3．11 小结

第四章 基于正交设计的沉管减沉桩模型试验研究

4．1 试验目的

4．2 试验方案设计

4．3 试验装置

4．4 试验模拟

4．5 试验测量

4．6 试验程序

4．7 试验结果及分析

4．7．1 沉管沉降分析

4．7．2 桩身轴力分析

4．7．3 桩间土压力分析

4．7．4 桩荷载分担比分析

4．7．5 桩间距影响分析

4．7．6 影响因素极差分析

4．7．7 影响因素方差分析

4．7．8 影响因素相关性分析

4．7．9 影响因素回归分析

4．8 减沉桩计算理论验证

4．8．1 桩侧摩阻力、桩端阻力荷载传递函数拟合

4．8．2 模型试验实测值与计算值对比

4．9 小结

第五章 沉管隧道减沉桩基础数值模拟研究

5．1 有限元法基本概念

5．2 Abaqus有限元分析软件介绍

5．3 材料本构模型

5．4 接触理论

5．5 模型基本信息

5．6 有限元模拟结果

5．6．1 减沉桩桩长对工程模拟结果的影响

5．6．2 减沉桩桩间距对工程模拟结果的影响

5．6．3 垫层对工程模拟结果的影响

5．7 小结

第六章 港珠澳大桥减沉桩基础沉降计算和分析

6．1 工程概况

6．1．1 沉管隧道桩基础方案

6．1．2 工程场区地质条件

6．1．3 试桩资料

6．2 设计荷载

6．3 减沉单桩沉降计算分析

6．4 减沉群桩沉降计算分析

6．4．1 桩间土沉降

6．4．2 减沉基桩受力

6．5 减沉桩承载力验算

6．6 小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文